認知無線電網(wǎng)絡中基于多維頻譜空穴的頻譜共享研究.pdf

1、在靜態(tài)頻譜分配機制下,隨著無線業(yè)務需求的不斷增長,頻譜資源日趨緊缺。而同時,無線業(yè)務的統(tǒng)計分布不均衡導致現(xiàn)有的授權系統(tǒng)中頻譜利用率低下。動態(tài)頻譜共享是提高頻譜利用率、緩解頻譜緊缺的有效手段。認知無線電的提出為該解決手段提供了有力的技術支撐。其基本思想是非授權用戶(認知用戶)通過對環(huán)境感知,在不對授權用戶造成有害影響的前提下機會式地接入授權頻譜的“頻譜空穴”(即暫未被授權用戶使用的頻譜資源),從而實現(xiàn)動態(tài)頻譜共享達到提高頻譜利用率、緩解頻

2、譜資源緊缺的目的。
　　在認知無線電網(wǎng)絡中,需要在不對授權用戶造成有害影響的前提下,通過對頻譜空穴的挖掘以及頻譜空穴的利用實現(xiàn)動態(tài)頻譜共享。本文針對動態(tài)頻譜共享中的接入機制、資源分配及傳輸策略進行深入研究。根據(jù)頻譜資源的多維空間映射,對頻譜空穴的時、空、頻特性進行分析。在此基礎上,針對時域頻譜共享認知無線電網(wǎng)絡中的接入機制以及資源分配問題進行了分析與優(yōu)化,以期提升時域頻譜空穴的有效利用率,緩解目前頻譜資源匱乏的問題;同時,針對聯(lián)合

3、空-時(空域與時域)頻譜共享進行研究,對最佳的頻譜感知策略進行研究并提出基于聯(lián)合空-時頻譜共享的合作中繼傳輸機制以期提高頻譜利用率以及頻譜空穴的有效利用率。本文所涉及的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)在時域頻譜共享認知無線電網(wǎng)絡中,傳統(tǒng)的搶占式頻譜接入機制下認知用戶會由于授權用戶的到達產(chǎn)生強制中斷,由此產(chǎn)生的分組包丟包以及重傳將會造成資源(功率以及頻譜)的浪費。為了提高頻譜資源的有效利用率,針對認知用戶的業(yè)務平均服務時間遠小于授權用

4、戶的業(yè)務平均服務時間的情況,提出了基于協(xié)商的非搶占式頻譜接入機制。在該機制中,認知無線電系統(tǒng)通過頻譜代理與授權系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)商,保障認知用戶的傳輸不會發(fā)生中斷,從而提高了傳輸?shù)挠行浴２捎门抨犝搶⒎菗屨际揭约皞鹘y(tǒng)的搶占式頻譜接入機制下的頻譜共享建模為多維Markov鏈,并利用分解方法對頻譜共享Markov模型進行簡化并得出狀態(tài)穩(wěn)態(tài)概率近似解的閉合表達式。通過對系統(tǒng)性能指標分析比較,可以得到基于協(xié)商的非搶占式頻譜接入機制可以在不對授權用戶Qo

5、S造成有害影響的情況下通過降低認知用戶的強制中斷概率提高了頻譜空穴的有效利用率。
　　(2)為了保障多用戶異構無線業(yè)務在認知無線電網(wǎng)絡中的高效傳輸,提出了基于用戶QoS需求的跨層聯(lián)合資源分配算法。根據(jù)實時業(yè)務的延時敏感特性,設計了基于用戶QoS需求以及授權用戶鄰信道干擾限制的動態(tài)優(yōu)先級因子。建立了資源分配的優(yōu)先級因子加權優(yōu)化目標函數(shù),并相應的給出了比特加載的低復雜度次優(yōu)算法。該資源分配算法對PHY以及MAC層進行了聯(lián)合跨層設計,充

6、分考慮了認知用戶的信道特性、隊列狀態(tài)以及業(yè)務需求。本文提出的資源分配算法在滿足授權用戶鄰信道干擾限制以及實時業(yè)務QoS需求的情況下,提高了認知無線電系統(tǒng)性能從而提高了頻譜空穴的有效利用率。
　　(3)針對可用頻譜空穴的進一步挖掘,通過對聯(lián)合空-時頻譜共享認知無線電網(wǎng)絡性能分析,提出了授權用戶干擾限制條件下的最佳頻譜感知時間以及聯(lián)合空-時頻譜共享的接入機制。根據(jù)認知用戶頻譜共享中對授權用戶干擾的模型建立,明晰了授權用戶干擾限制下空域

7、頻譜空穴與時域頻譜感知性能的關系,并提出了聯(lián)合空-時頻譜共享的空域頻譜感知機制。在分別給定檢測概率與虛警概率的情況下,時域頻譜感知時間與認知無線電系統(tǒng)平均吞吐量存在折中關系。通過建立最大化認知無線電系統(tǒng)平均吞吐量的目標函數(shù),得到最佳頻譜感知時間與相應的聯(lián)合空-時頻譜空穴,為聯(lián)合空-時頻譜共享提供了接入依據(jù)。
　　(4)為了充分利用聯(lián)合空-時頻譜空穴、進一步提高頻譜利用率,提出了基于聯(lián)合空-時頻譜共享的合作中繼傳輸機制。認知用戶利用